SU1394370A1 - Преобразователь @ -фазного напр жени с промежуточным ВЧ-преобразователем - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к преобразовательной технике и м.б. использовано в регулируемых электроприводах , усилител х низкой частоты, устр- вах ввода и вывода энергии в накопители . Целью  вл етс  расширение функциональных возможностей за счет придани  устройству свойств воспроизведени  сигналов заданной формы. Устр- во содержит m инверторных  чеек 3-5 на полностью управл емых ключах 6-17 с двусторонней проводимостью, в диагонали высокой частоты которых включены первичные обмотки высокочастотных тр-ров 18-20, Вторичные обмотки тр-ров соединены последовательно и подключены к входу демодул тора 21 на полностью управл емых ключах 22- 25 с двусторонней проводимостью. Схема 27 управлени  обеспечивает регулирование напр жени  и его реверсирование ключами инверторных  чеек, бил. о S сл с

Description

S

оо со

4

СО

1(3

Изобретение относитс  к преобразовательной технике, в частности к технике преобразовани  переменного напр жени  в посто нное, и может най- ти применение в быстродействующих регул торах напр жени  в качестве электронного аналога электромашинного усилител , в реверсивных электроприводах , в усилител х сигналов низкой частоты, в модул торах напр жени , устройствах ввода и вывода энергии в реактивные накопители, в тех случа х, когда требуетс  высокое быстродействие регулировани , минимальные масса и габариты, равномерна  загрузка током всех m фаз.

Цель изобретени  - расширение функциональных возможностей за счет придани  устройству свойств воспроизве- дени  сигналов зар дной формы.

На фиг.1 представлена основна  структурна  схема устройства (при ре- гулирова,нии выходного напр жени  инверторами ) j на фиг.2 - возможна  мо- дификаци  структурной схемы устройства (при регулировании выходного напр жени  демодул тором), на фиг.З - временные диаграммы, по сн ющие работу устройства при угле регулирова- ки  напр жени , равном нулю/на фиг.А временные диаграммы, по сн ющие ра- боту устройства при изменении пол рности выходного напр жени  в процессе регулировани ; на фиг.З и 6 - временные диаграммы, по сн ющие работу устройства на фиг.2.

Устройство (фиг.1) содержит входной 1 и выходной 2 фильтры, m (дл  определенности, прин то m 3) инвер- торных  чеек 3-5 на полностью управл емых ключах 6-17 с двусторонней проводимостью, по одной  чейке в каждой фазе, в диагонали высокой частоты которых включены первичные обмотки высокочастотных трансформаторов 18-20, а другими диагонал ми инверт- ные  чейки через входной фильтр 1 Соединены с питающей сетью по схеме звезда. Вторичные обмотки высокочастотных трансформаторов 18-20 соединены последовательно и подключены к диагонали высокой частоты демодул  тора 21 на полностью управл емых ключах 22-25 с двусторонней проводимостью , выходные выводы демодул тора 21 через выходной фильтр 2 соединены с нагрузкой 26. Схема 27 управлени  содержит 2т+1 узлов 28 разв зки, два

- д 5

0

5 0

двухвходовых логических элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 29-31, распределитель 32 импульсов синхронизированный с сетью , задающий генератор 33, выход которого соединен с тактовыми входами двух фазосдвигающих узлов ЗА и 35 с регулируемыми углами задержки 34 и опережени  35. Управл ющие входы фазосдвигающих узлов 34 и 35.объединены и образуют управл ющий вход преобразовател . Выход задающего генератора 33 подключен также к йходу одного из узлов 28 разв зки, противо- тактные выходы которого подключены к управл емым входам ключей 22-25 модул тора 21, противотактные выходы остальных 2т узлов 28 разв зки св заны с управл ющими входами ключей 6-17 инверторных  чеек 3-5, а их входы соединены с выходами 2т логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 29-31, причем первые входы первой группы и логических элементов ИСКЛЮЧАЩЕЕ ИЛИ 29-31 объединены и подключены к выходу фазосдвигающего узла 34 с регулируемым углом задержки о(р, а первые входы второй группы m логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 29-31 также объединены и подключены к выходу фазосдвигающего узла 35 с регулируемым углом опережени  /jp, вторые входы логических элементов 29,29 30,30 и 31,31 первой m и второй m групп попарно объединены и соединены с соответствующей фазой преобразовател  через распределитель 32 импульсов.

Фазосдвигающие узлы 34 и 35 с регулируемыми углами задержки и опе- jQ режени  /ip выполнены по двухканаль- ной схеме, каждый канал включает последовательно соединенные генератор .36(37) развертывающего напр жени , компаратор 38(39) и двухвходовый логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 40 (41), выход которого образует выход фазосдвигающего узла 34(35), а одни из входов логических элементов ИСКПЮ- ЧАЮиЩЕ ИЛИ 40 и 41 обоих каналов объединены между собой и с входами генераторов 36 и 37 развертывающих напр жений и образуют тактовый вход фазосдвигающих узлов 34 и 35.

Модификаци  преобразовател  т-фаз- ного переменного напр жени  на фиг.2 отличаетс  лишь несколько иным построением блока управлени .

Блок 27 управлени  содержит п+2 узлов 28 разв зки, тп двухвходовых

5

5

0

5

логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 29-31. Выходы фазосдвигающих узлов 34 и 35 соединены с входами двух узлов разв зки, противотактные выходы которых подключены к управл ющим входам ключей 22-25 демодул тора 21, противотактные выходы остальных m узлов 28 разв зки св заны с управл ющими входами ключей 6-17 инверторных  чеек 3-5, а их входы соединены с выходами m логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 29-31, первые входы которых объединены и подключены к выходу задающего генератора 33, а вторые входы, по-прежнему, соединены с соответствующими фазами преобразовател  через распределитель 32 импульсов.

На фиг.3-6 обозначено: 44 - трехфазна  система входного

переменного напр жени ; дополнительный сигнал повьшен- ной частоты;

основной сигнал типа меандр.

35

синфазный с напр жением 42;

сигнал, полученный модул цией сигналов 45 и 46;

- модулированные напр жени  пи- тающей сети; ,3Q

суммарное напр жение;

демодулированное напр жение}

выходное напр жение задающего

генератора 33 и узла 28 разв зки , св занного с управл ющими цеп ми ключей 22-25 демодул тора 21;

55 - выходные напр жени  генераторов 36 и 37 развертывающих напр жений соответственно (ли- нейно-падающее напр жение 55 дл  нагл дности представлено пунктирной линией);

управл ющее напр жение (U, на

фиг.1) преобразовател ;

58 - выходные напр жени  фазосдвигающих узлов 34 и 35;

6Г- синхронизирующие напр жени , фазы которых совпадают с соответствующими фазами входного напр жени  42-44;

7 - выходные напр жени  узлов 28 разв зки, св зан гых с управл ющими цеп ми ключей 6-17 инверторных  чеек 3-5;

- напр жегги , действующие на

обмотках трансформаторов 18-20-,

входное н пр жение демодул тора 21;

45

50

55

5

0

5

5

Q

5

0

5

72- выходное напр жение демодул то-.

ра 21;

73- ток в нагрузке 26;

74-76 - токи, потребл емые преобразователем из входного фильтра 1;

77- напр жение на выходе задающего

генератора 33;

78- входное напр жение одной из фаз

преобразовател ;

79- синхронизирующее напр жение (на выходе узла 32) этой же фазы

80и 81 - выходные напр жени  узла 28

разв зки, св занного с управл - ющими цеп ми ключей 6, 9 и 7, 8 инвертора 3;

82- напр жение, д ействующее на обмотках трансформатора 18,

83- входное напр жение демодул тора 21;

84- напр жение управлени  преобразователем (и на фиг.2)}

85и 86 - выходные напр жени  узлов

28 разв зки, соединеннЬгх с фазо- сдвигающими блоками 34 и 35

87- выходное напр жение демодул тора 21 V

88- выходное напр жение фильтра 2. Согласно изобретению способ преобразовани  исходной системы напр жений (1) (дл  m 3 на фиг.З) 42-44

УЛ Ы т

UB (e +,1/ЗТ)

Uc ((/ + 2/3T)J (1) заключаетс  в формировании основной системы т-фазных сигналов (2) с частотой следовани , равной частоте сети (на фиг.З показан один сигнал 46, совпадающий по фазе с напр жением 42)

fA(t) 1 ffl(t + 1/ЗТ) (2)

f/,(t + 2/3T)j,

де fд - функци  пр моугольного синуса с периодом А Т.

Систему сигналов (2) модулируют сигналом 45 более высокой частоты f(t) с периодом а, при этом получают п-фазный сигнал (3) f«(t)-f

-q(t)-f«(t)

f(t)-fxi(t + 1/ЗТ)

(3)

fa(t)-fA(t + 2/3T)j , которым модулируют соответствующее по фазе входное напр жение (1) и получают напр жение повышенной частоты 48-50, которые аналитически можно представить произведением (3) на (1), т.е.

« f «(t) -f (t)sino/ и„ f«(t.)-f(t + 1/3T)sin(/ + + 1/3T)(A)

f«(t)f ,(t + 2/3T)sin(of +

и

56

+ 2/3T).

Эту операцию осуществл ют инверторы 3-5 (фиг.1 и 2). .

Индексы при напр жени х и 4J , U49 Ujg в (3) совпадают с обозначени ми .этих напр жений на фиг.З. Затем напр жени  (4) трансформируют высокочастотными трансформаторами 18-20 (фиг.1), первичные обмотки которых подключены к выходам инверторов 3-5, и формируют напр жение 51 повышенной частоты (фиг.З) посто нной амплитуды путем суммировани  напр жений (4) повышенной частоты всех m фаз. В устройстве по фиг.1 и 2 зта операци  осуществл етс  последовательным соединением вторичных обмоток трансформаторов . Следовательно,

Uf, Z: Ui f „(t)-fA(t)Un, + fo,(t)fд(t + 1/3T)sin(o( + 1/3T) + + f«(t)-ffl(f + 2/3T)sin(o( + 2/3T) fo,(t) -U Jfo,(t)sino/ + f(t + 1/3T) X X sin(c/ + 1/3T) + ffl(t + 2/3T)sino/ + + 2/3T)3 .(5)

По выражению (5) видно, что слагаемые в квадратных скобках представл ют собой вз тые по модулю синусоидальные функции, т.е.

f/(t)-sin о( lsino(|,

поэтому суммарное напр жение Ug, (фиг.З), в отличие от известных сумм напр жений вида (1), равных либо нулю (закрытый треугольник), либо синусоидальной функции (открытый треугольник ) , представл ет собой высокочас- тотнсе напр жение посто нной амплитуды .

Далее полученное напр жение (5) демодулируют демодул тором 21 (фиг.1) к входу которого подключены после- довательно соединенные обмотки трансформаторов 18-20. Процесс демодул ции напр жени  можно представить как произведение вьфажени  (5) на fi,(t). Учитыва , что f(t) 1, получим

и U,ntfflsine(+ fx,(t + 1/ЗТ) X X sin(o(+ 1/ЗТ) + f (t + 2/ЗТ) X X sin(ef + 2/ЗТ) . (6) Выражение (6) описывает напр жение 5 при отсутствии регулировани . На при мерах реализации способа рассмотрим процессы преобразовани  и регулировани .

Принцип работы преобразовател  по первому варианту заключаетс  в следующем .

Входное т-фазное напр жение 42-44 (фиг.4) через фильтр 1 поступает на входные выводы инверторных  чеек 3-5 (фиг.1), алгоритм замыкани  ключей которых определ етс  величиной управл ющего напр жени  56. Задающий генератор 33 формирует напр жение 53, моменты смены пол рности которого  вл ютс  тактирующими дл  генераторов 36 и 37 развертывающих напр жений, причем выходное напр жение 54 генератора 36 представл ет собой линейно-нарастающее , а напр жение 55 - линейно- падающее. При величине управл ющего напр жени  56 большей амплитуды развертывающих напр жений 54 и 55 уровень выходного напр жени  компараторов 38 и 39 соответствует уровню ло- тического нул  и на выходе логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 40 и 41 действуют напр жени  57 и 58, совпадающие по фазе с напр жением 53 задающего генератора.

Углы регулировани  о/р и р в таком режиме максимальны и равны полупериоду напр жени  1повышенной частоты (о(р рр 0-). Напр жение 57 поступает на первые входы групп m логических элементов 29-31, а на первые входы второй группы m логических элементов 29-31 поступает напр жение 58. На вторых объединенных входах логических элементов 29 действует выходное напр жение 59 синхронизирующего узла 32, полученное из выходного напр жени  42 пороговым элементом, например компаратором. На вторых объединенных входах логических элементов 30 и 31 действуют напр жени  60 и 61 соответствующей фазы. На выходах элементов 29 действуют однопол рные напр жени  которые узлами 28 разв зки преобразуютс  в разнопол рные напр жени  62 и 63, моменты смены пол рности которых при переходе напр жени  42 через нулевое значение не измен ютс . Аналогично , на выходах других узлов 28 разв зки, соединенных с логически- ми элементами 30 и 31, формируютс  напр жени  64-67 соответственно. Положительные полуволны напр жений 62- 67 соответствуют замкнутому состо нию KJfючeй 6, 9, 10, 13, 14 и 17 соответственно , а отрицательные - ключей 7, 8, II, 12, 15 и 16 инверторных  чеек 3-5. Таким образом, до момента времени t алгоритм замыкани  ключей инверторных  чеек не измен етс  (в частности дл  инверторной  чейки 3 одновременно замкнуты ключи 6 и 9, затем 7 и 8 и т.д. в соответствии с диаграммами 62, 63) и напр жение 42 преобразуетс  в высокочастотное напр жение 68, напр жение 43- в напр жени  69 и 44 - в напр жение 70. Поскольку вторичные обмотки трансформаторов 18-20 соединены последовательно , то на входе демодул тора 21 действует высокочастотное напр жение 71 (фиг.5), равное сумме напр жений 68-70. Огибающа  амплитуды этого напр жени  имеет п типроцентную пульсацию с частотой 300 Гц. Ключи демодул тора 21 замыкаютс  в соответствии с напр жением 53 так, что положительна  полуволна этого напр жени  соответствует замкнутому состо нию ключей 22 и 25, а отрицательна  - ключей 23 и 24, преобразу  тем самым напр жение 71 в выпр мленное напр жение 72, под действием которого в нагрузке 26 протекает ток 73, дл  случа  активно-индуктивной нагрузки. Выпр мленное напр жение в интервале времени О - t t описываетс  выра- ;жением 6.

Принима  Г/2 за начало отсчета дл  напр жени  68 (фиг.4), с учетом (6), на интервале повтор емости напр жени  72 среднее значение выходного напр жени  демодул тора можно

представить в следующем виде Tf/i

и . Д + cos(oif + 60°)

-Tilt, tfit,

+ cos (of - 60°)do( I J U coso/d 6„ 6V2,

fUfn -ij -Uptt. - 2,7иэф

(7)

По отношению к трехфазной мостовой схеме выпр м-пени  здесь выходное напр жение на 0,36 Ug, больще.

Посто нный ток 73 нагрузки (обозначим его через Ij) преобразуетс  демодул тором в высокочастотньй ток, протекающий по обмоткам трансформаторов , т.е.

I т-р I J f o,(t). (8) Ключами инверторов этот ток преобразуетс  в пр моугольный потребл емый ток 74-76, так как

Петр

ITP/KT- f (t) f (t)

Irf/K,- f2,(t;) fA(t) Ij/K,-f/,(t)9)

10

5

20

25

30

35

40

45

50

55

потому, что fo(t) 1, a KT коэффициент трансформации трансформаторов 18-20.

С момента времени t управл ющее напр жение 56 начинает уменьшатьс , и как только U,, становитс  соизмеримо с напр жени ми 54 и 55, начинают измен тьс  фазы выходных напр жений 57 и 58 фазосдвигающих узлов 34 и 35, как показано на фиг.4. Углы регули- { овани  /р и /JP станов тс  меньше полупериода напр жени  повьшенной час- тоты„и непрерывно измен ютс  до момента времени t, когда U становитс  по величине меньше нул . При t tj Йр О и фазы напр жений 57 и 58 совпадают между собой, .но наход тс  в противофазе с фазой напр жени  53 задающего генератора 33. Диаграмма состо ний логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 29-31 известна

Вход 1 Вход 2 Выход О О о

011

1О 1 1 1 О

В соответствии с этой диаграммой в интервале времени формируютс  напр жени  62-67 узлов 28 разв зки , св занных с управл ющими цеп ми ключей инверторных  чеек 3-5. Алгоритм замыкани  ключей, например инверторной  чейки 3, в этом интервале непрерывно измен етс  (при каждой смене пол рности любого из напр жений 62 и 63) так, что одновременно замкнуты следующие ключи: 8,7-7,9- 9,6-6,8-8,7-7,9-7,8-8,6-6,9-9,7-7,8. При t 7 t одновременно замкнуты ключи 7 и 8 или 6 и 9 и т.д. Поскольку замкнутое состо ние ключей 6 и 8 или 7 и 9 закорачивает первичную обмотку трансформатора 18, то и напр жение в эти моменты становитс  равным нулю, а приведенный вьппе алгоритм переключени  ключей 6-9 приводит к плавному регулированию напр жени  68 на рассматриваемом интервале, и ре- версрфованию фазы этого напр жени  (с момента, когда И становитс  меньше половины амплитуды напр жений 54 и 55). В остальньк фазах регулирование напр жений 69 и 70 осуществл етс  синхронно в соответствии с управл ющими напр жени ми 64-67. Напр жение 71, равное сумме напр жений 68-70, регулируетс  за счет синхронного из- менени  длительности импульсов повы91394370

шенной частоты во всех фазах и реверсируетс . Алгоритм работы ключей демодул тора 21 не измен етс : одновременно замыкаютс  ключи 22 и 25, затем 23 и 24 и т.д., поэтому на выходе демодул тора действует выпр мленное напр жение 72, которое ав- томатически реверсируетс  по сигна10

осуществл етс  последовательным соединением вт оричных обмоток трандфор- маторов 18-20, подключенных к входу демодул тора 21, который осуществл ет выпр мление напр жени  83, регулирование и реверсирование выходного напр жени  преобразовател  в соответствии с величиной напр жени  84 управ

20

25

30

лу управлени  U. В активно-индуктив- 0 лени . На фиг.6 дл  упрощени  опуще- ной нагрузке 26 протекает сглаженный ток 73, который согласно выражению (9) потребл етс  из сети в виде раз- нопол рных пр моугольных импульсов 74-76 с периодом Т. В моменты време- е ни, когда напр жение на нагрузке и Ток не совпадают по знаку, преобразователь переходит в инверторный режим при котором токи 74г76 в фазах протекают навстречу питающему напр жению . На фиг.5 такому режиму соответствует один импульс длительностью t. Из приведенных диаграмм видно, что преобразователь имеет внешние характеристики UH (1н) расположенные в четырех квадратах.

Принцип работы преобразовател  по второму варианту заключаетс  в следующем .

Напр жение 77 (фиг.6) с выхода задающего генератора 33 (фиг.2) посту- ,пает на один из входов логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 29-31, на другие входы которых поступают синхронизирующие напр жени  59-61 (фиг,4). На фиг.5 дл  упрощени  рас- сматриваютс  процессы в одной инвер- торной  чейке 3. Дл  рассматриваемой фазы на втором входе логического элемента 29 действует выходное напр жение 79 распределител  32 импульсов, синфазное-с входным напр жением 78, а на ;его выходе напр жение 80, которое  вл етс  управл ющим дл  узла 28 разв зки. На выходах узла 28 разв зки действует разнопол рное напр жение 81, положительные полуволны которого соответствуют замкнутому состо нию ключей 6 и 9, а отрицательные - 7 и 8. На управл ющих входах ключей других инверторных  чеек 4 и 50 5 действзпот аналогичные разнопол рные импульсы со своими фазовыми переходами в моменты смены пол рности входных напр жений своих фаз. В соответствии с напр жением 81 инвертор 3 55 преобразует напр жение 78 в напр жение 83 повышенной частоты. Суммирование таких напр жений разных фаз

40

45

ны эпюры развертывающих напр жений, с которыми сравниваетс  напр жение 84 по аналогии с фиг.4. В интервале времени фазы напр жений 85 и 86 измен ютс  от максимальной величины (rfp Рр а) до минимальной ( о/р РР 0), причем положительные полуволны напр жений 85 и 86 соответствуют включенному состо нию ключей 22 и 25, а отрицательные - ключей 23 и 24 демодул тора 21. В упом нутом интервале алгоритм замыкани  ключей демодул тора будет измен тьс  от 22, 25- 23, 24 на периоде повышенной частоты до 23, 24 - 22, 25 следующим образом:

23,24 - 23, 25 - 25, 22 - 22, 24 24 ,23 - 23, 25 - 23, 24 - 24, 22 - 22, 25 - 25, 23 - 23, 24. Выходное напр жение 87 модул тора 21 будет измен тьс  по. такому же закону, как и на фиг.5. Среднее значение этого напр жени  87 на выходе фильтра 2 представлено на фиг.6 диаграммой 88.

Как следует из предлагаемого способа преобразовани  и работы уст- ройств он позвол ет расширить функциональные возможности, так как удаетс  решить задачу воспроизведени  на выходе входного управл ющего сигнала.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Преобразователь т-фазного напр жени  с промежуточным ВЧ-преобразова- телем, содержащий m инверторных  чеек на полностью управл емых ключах с двусторонней проводимостью, по одной на фазу питающей сети, в выходной диагонали которых включены первичные обмотки высокочастотных трансформаторов , вторичные обмотки последних соединены последовательно и подключены к входу демодул тора, выходом св занного с выходными выводами, и блок управлени , включающий в себ  последовательно св занные между собой высокочастотньй задающий генератор, т-канальный распределитель импульсов и логический узел, выходом св занный с управл ющими входами ключей ука0

   5

   0

   0 лени . На фиг.6 дл  упрощени  опуще- е

   0 5

   0

   5

   ны эпюры развертывающих напр жений, с которыми сравниваетс  напр жение 84 по аналогии с фиг.4. В интервале времени фазы напр жений 85 и 86 измен ютс  от максимальной величины (rfp Рр а) до минимальной ( о/р РР 0), причем положительные полуволны напр жений 85 и 86 соответствуют включенному состо нию ключей 22 и 25, а отрицательные - ключей 23 и 24 демодул тора 21. В упом нутом интервале алгоритм замыкани  ключей демодул тора будет измен тьс  от 22, 25- 23, 24 на периоде повышенной частоты до 23, 24 - 22, 25 следующим образом:

   23,24 - 23, 25 - 25, 22 - 22, 24 24 ,23 - 23, 25 - 23, 24 - 24, 22 - 22, 25 - 25, 23 - 23, 24. Выходное напр жение 87 модул тора 21 будет измен тьс  по. такому же закону, как и на фиг.5. Среднее значение этого напр жени  87 на выходе фильтра 2 представлено на фиг.6 диаграммой 88.

   Как следует из предлагаемого способа преобразовани  и работы уст- ройств он позвол ет расширить функциональные возможности, так как удаетс  решить задачу воспроизведени  на выходе входного управл ющего сигнала.

   Формула изобретени 

   Преобразователь т-фазного напр жени  с промежуточным ВЧ-преобразова- телем, содержащий m инверторных  чеек на полностью управл емых ключах с двусторонней проводимостью, по одной на фазу питающей сети, в выходной диагонали которых включены первичные обмотки высокочастотных трансформаторов , вторичные обмотки последних соединены последовательно и подключены к входу демодул тора, выходом св занного с выходными выводами, и блок управлени , включающий в себ  последовательно св занные между собой высокочастотньй задающий генератор, т-канальный распределитель импульсов и логический узел, выходом св занный с управл ющими входами ключей ука« .J:

   -г/Ш аГ1АаГ

   Лл ОЛ ПЛг гП -ииг

   52

   Ц)1а.з

   jn -tfhu ij LJnjgj.

   ;f

   фаг.

   UIJ -tJ-Ln- Ьг

   л . -« rS . Ч у ™ - I